完整版L型探针馈电的微带天线仿真设计毕业设计.docx

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完整版L型探针馈电的微带天线仿真设计毕业设计

L型探针馈电的微带天线仿真设计

中文摘要

近年来，随着移动通信系统业务的不断增加，通信设备不断朝着小型化方向发展，同时对天线体积，集成化及工作频段的要求也越来越高。

重量轻，剖面低，成本低和易于集成的微带天线，受到大家的广泛的关注。

目前微带天线的主要限制还在于天线的狭窄。

经过数十年的发展，很多研究学者提出了拓展微带贴片天线带宽的方法，其中采用L型探针馈电的方式得到了很多关注。

由于L型探针垂直部分及水平部分和贴片之间产生感抗和容抗，两者相互作用产生谐振，使天线频带拓宽或者呈现多频带。

这使得L型探针馈电广泛应用于现代移动通信系统中。

本文介绍了微带天线的辐射原理及微波射频段电磁波的基本理论及L型探针馈电的微带天线。

文中依据理论分析以及数值计算相结合的方式设计出满足设计需要的微带天线并借助天线设计软件HFSS分析了L型探针水平段和竖直端长度对天线带宽的影响，在最后设计了一副进行仿真优化了的信号频段在3.2~4.4GHz的L型探针馈电的微带天线。

关键词：

微带天线；容感性；L型探针馈电；HFSS仿真

ThedesignandSimulationofantennawithL-shapedprobefeed

Absract

Inrecentyears,withtheincreasingnumberofmobilecommunicationsystem,communicationequipmentdevelopedtowardsminiaturizationdirectionconstantly,andtheantennasize,andfrequencyrequirementsarealsobecomingmoreandmoreimportant.Lightweight,withlowprofile,lowcostandeaseofintegrationbyallofus.Themajorlimitationsofmicrostripantennanowisthebandwidthoftheantenna.Afterdecadesofdevelopment,alotofresearchscholarsproposedmethodtoexpandthebandwidthofthemicrostrippatchantenna,whichadoptstheL-shapedprobefeedgetalotofattention.

BecauseverticalsectionandofL-shapedprobecreateinductivereactanceandcapacitivereactance,andbothoftheminteracttoproduceresonance,thismakestheantennamodernmobilecommunicationssystem.ThispaperintroducestheradiationprincipleofmicrostripantennaandmicrowaveradiofrequencysectionofthebasictheoryofelectromagneticwavetransmissionandtheantennawithL-shapedprobefeed.

Basedonthebasictheoryofmicrostripantennaanalysisandnumericalcalculationdesignamicrostripantennameetthedesignneed,andanalysistheeffectofthesizeofL-shapedprobeontheantennabandwidthwiththeaidofwithsimulationsoftwareHFSS.Inthefinal,itdesignsamicrostripantennawithL-shapedprobefeedwhichthetransmissionsignalfrequencybandin3.2~4.4GHz.

KEYWORD：

Microstripantenna；Shouldtheemotion；L-shapedfeed；HFSSsimulation

第一章绪论

1.1课题背景及研究意义

微带天线由于其重量轻、剖面低、成本低廉、设计较灵活，而且易和集成电路等电路相结合等优点得到了越来越广泛的应用，比如无线电通信、电视、广播、导航、雷达、电子对抗、射电天文、遥感等通信系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。

此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。

天线一般都是具有可逆性的，也就是同一副天线既可用作发射的天线，又可用作接收的天线。

根据天线的互易定理同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。

近年来，随着移动通信系统业务的不断增加，通信设备不断朝着小型化方向发展，对天线体积，集成化及工作频段的要求也越来越高。

微带天线以它的体积小，剖面比较低，便于集成，生产造价低等特性以及良好的性能，受到越来越广泛的关注。

在某些通信场合，所用的频段很高，使得传输波长短。

为此必须采用一定措施进一步减小微带天线的尺寸。

现代移动通信要求天线需要具有宽频带工作的能力。

在必须考虑大小，重量，价格，易安装等特性要求，以及应用于符合气体动力外观等因素的飞机、全球定位系统以及卫星的情况下，无线通讯以及移动通讯等诸多高度发展的通信系统中低剖面都是迫切需要的。

这是由于低剖面的结构能够适应平贴在任何外观特性的平面或曲面上，易制作，并且具有容易与微波集成电路集成等优点。

设计和研究性能优良的频带宽度宽的微带天线是本设计的主要工作。

但是微带天线的主要限制是其带宽的狭窄。

现在的努力已经集中到适当的提高天线的带宽上。

经过数十年的发展,很多研究学者提出了拓展微带贴片天线带宽的方法，其中采用L型探针馈电的方式得到了很多关注,并广泛应用于现代移动通信系统中。

基于这种技术,本文就是从传统的微带贴片天线出发，针对微带天线窄带宽的特点，设计出宽频带特性L型探针馈电微带天线，利用L型探针馈电技术有效解决阻抗带宽较窄的问题。

并利用Ansoft公司的HFSS软件对天线的结构和性能进行了仿真分析[1,2,3]。

1.2微波天线的研究现状

早在1953年G.A.Dschamps教授就提出微带贴片天线的概念[4]，但是当时并没有得到足够的重视，在20世纪中叶到60年代只有一些零碎的研究，真正的开始发展和使用是在70年代。

直到20世纪80年代后，对敷铜以及敷金的介质基片的光刻技术得到长足的发展，并且研究人员研究出较好的理论模型后引起诸多学者的重视，实际的微带天线才制造出来。

在20世纪80年代末90年代初，国内也有这方面的专著出版。

从此以后，微带天线得到了各国天线研究界广泛的研究和发展，从而使微带天线获得了多种应用，并且形成了微波天线中一种独特的天线类型。

微带天线一般应用的频率范围是1～50GHz，对于相对特殊的天线频率也会在几十MHz。

和常用微波天线相比，有如下优点：

（1）体积小，重量轻，低剖面，能够适应于任何平面或曲面的外观特性低剖面的结构。

（2）易集成，能和大量无源器件、有源器件、电路集成。

（3）电性能多样化，易于得到各种极化，对于微带元的设计不同，其最大辐射方向可以在边射到端射范围内变化。

目前微带天线的研究主要集中在小型化、宽带化、多频段、多极化、分形技术等几个方面[5]。

1.3AnsoftHFSS软件简介

HFSS是由Ansoft公司推出的三维电磁场仿真软件。

HFSS提供了一简洁直观的用户设计界面。

场解器实现了精确的自适应；后处理器拥有空前强大的功能，而且电性能的分析能力相比之前的软件得到很大提高，任意形状三维无源结构的电磁场场量和S参数都能得到精确计算[5]。

使用HFSS，可以用于计算：

（1）远近场辐射问题和基本电磁场数值解的计算；

（2）谐振解以及结构的本征模计算；（3）端口阻抗的归一化S参数；（4）端口传输常数和特征阻抗。

HFSS软件天线设计功能强大，它可以计算天线参量，如3dB带宽、方向性、增益和远场方向图剖面；绘制天线的极化特性。

AnsoftHFSS的界面直观、易于使用且可以用于建立任意三维无源器件模型[6]。

创建一个设计包括步骤如下：

1．启动HFSS软件，新建一个工程文件，保存路径必须全英文。

2．设置求解类型，确定如何收敛和激励。

HFSS有三种求解类型，终端驱动、模式驱动和本征模。

3．创建结构模型。

HFSS三维模型创建能力强大，简单的实体建模中，直接使用HFSS中提供的基本图形即可，在创建每一个基本结构单元时，HFSS都会提示确定其属性，默认的材料特性是真空。

4．设置边界条件和激励；边界条件主要包括：

理想导体边界（PerfectE）、辐射边界条件（Radiation）；激励主要包括波端口激励、集总端口激励。

5．求解设置包括定义求解频率，扫频范围。

6．设计检查、运行仿真计算。

7．数据处理，查看运行结果，包括增益大小、S参数、辐射方向图、电磁场场分布。

8．进行优化设计得到最优解。

1.4论文的主要工作

本文根据现代卫星通信下行传输信号频段3.2GHz~4.4GHz频段设计出L型探针馈电微带天线。

具体的内容安排如下：

第一章：

绪论，简单介绍了L型探针馈电微带天线研究背景和现状，仿真软件及全文内容安排。

第二章：

简单地介绍了微带天线的基本理论，包括:

微带天线的工作机理、理论分析方法及理论模型相关的理论。

并且介绍了拓宽天线带宽的方法。

第三章：

对L型探针馈电微带天线进行介绍，并将它相对于普通天线的优点进行了分析。

第四章：

通过AnsoftHFSS对微带天线的结构设计和软件仿真，设计优化及分析，设计了要求中的的微带天线，通过得到的反射系数、方向图及驻波比图与设计要求及理论进行比较，验证仿真的正确性。

第五章：

对本文内容作了总结。

第二章微带天线概述

2.1微带天线简介

微带天线之中最常见的形式是微带贴片天线，是在七十年代初期研究成功的一种新型天线，如图2.1所示。

微带贴片天线是在一个薄介质基上，其中一面附上金属薄层作为接地板，而另一面贴上一定形状的金属导体贴片。

微带天线是一种平面天线[7]，微带线或同轴线一类馈线通常被利用来为天线进行馈电，使得激励在接地板与导体贴片之间产生，从而产生了射频电磁场，并且通过接地板与贴片边缘之间的缝隙向外辐射的。

它的基片厚度与波长相比相对来说一般很小，因而它能实现平面上的小型化。

微带天线与常用的微波天线相比，它有以下一些优点：

体积较小，重量轻，低剖面，能与载体共形，它制造简单，成本低；在电器上的特点是可以得到单方向的宽瓣方向图，它的最大辐射方向在平面的法线方向上，易于和微带线路集成起来，易于实现线极化或者圆极化。

并且由于不扰动装载的宇宙飞船的空气动力学性能，因此无需作大的变动，天线就能很容易地装在导弹、火箭和卫星上，另外微带天线适合于组合式设计（固体器件，如振荡器、放大器、可变衰减器、开关、调制器、混频器、移相器等可以直接加到天线基片上）。

在实际应用系统中，微带贴片天线已大量应用于大约100MHz-100GHz的宽广频域，包括卫星通信、雷达、遥感、制导武器以及便携式无线电设备上。

相同结构的微带天线能组成微带天线阵，从而获得更高的增益以及更大的带宽。

所以微带贴片天线越来越得到广泛的应用与重视[8,9,10]。

图2.1微带贴片天线

2.2微带天线主要特性参量

天线的特性参数主要有输入阻抗，极化特性，频带宽度，方向性等。

下面就简单介绍一下天线特性参数[11-14]。

1.输入阻抗

天线阻抗简单地讲就是天线在馈电点电压和电流的比值。

由于在天线各点的电压和电流的分配不尽相同，各点的阻抗也不相同，其中馈电点的阻抗最为重要。

为使无线电收发器具有最佳的功率传送，这点的阻抗应该和馈线电缆的阻抗相同，设计天线时，一个很重要的工作是使天线输入阻抗和标准馈线的特性阻抗匹配。

天线与传输线之间的阻抗匹配的好坏将直接影响信号的传输效率,天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗，才能使天线获得最大功率，即实现阻抗匹配。

匹配越好，反射越小，驻波系数（VSWR）就越小。

2.极化特性

指一个发射天线辐射时，其最大辐射方向上，电场矢量随着时间变化在空间显示出的轨迹称为天线极化。

天线辐射的电磁波的极化形式决定了天线的极化形式。

天线的极化可分为线极化天线、椭圆极化天线和圆极化天线。

当有地面时，线极化又分为垂直极化和水平极化。

圆极化又可以分为右旋圆极化和左旋圆极化。

3.带宽

频率与天线的电参数息息相关，当工作频率偏离设计频率时，天线参数往往会发生变化。

天线所规定的电参数在工作频率发生变化时不应超出指定的范围，这里的频率范围称为频带宽度，简称为天线的带宽。

一般用电压驻波比<2或小于-10dB来定义[15]。

4.方向性

天线的方向性函数是在距离天线一定距离的位置处，描述天线辐射的电磁场强度在空间的相对分布的数学表达式；天线的方向图是在距离天线一定距离的位置处，描述天线辐射的电磁场强度在空间的相对分布的图形。

方向图的主瓣通常为最大辐射波束。

主瓣旁边的几个小的波束叫旁瓣。

5.增益

天线增益是被研究天线在辐射最强方向的辐射强度与各向同性天线（与被研究天线具有同等输入功率）在同一点所产生的最大辐射强度的比值，是在波阵面某一给定方向天线辐射强度的量度。

（2.2.1）

天线方向性与天线增益定义略有不同。

（2.2.2）由于天线存在损耗，天线的辐射功率比输入功率要小一些，即在数值上天线增益要比天线方向性小。

理想天线能在某一立体角内把全部馈入天线的功率辐射出去，且满足在立体角内均匀分布。

在理想情况下，数值上天线增益与天线方向性大小相等。

（2.2.3）

在同样距离和相同输入功率条件下，天线方向图上最大功率密度和理想全向天线（此时的效率为100%）的辐射功率密度之比定义为天线的增益。

按公式来即

（2.2.4）

6.驻波系数和行波系数

为了定量描述传输线上的行波分量和驻波分量，引入驻波系数和行波系数[16]。

传输线上最大电压（或电流）与最小电压（或电流）的比值，定义为驻波系数或驻波比，表示为

（2.2.5）

传输线模型如图2.2所示，线上每一点的电压为入射波电压与反射波电压的叠加。

图2.2传输线上的入射波和反射波

驻波系数和反射系数的关系可导出如下

（2.2.6）

故得

（2.2.7）

（2.2.8）

行波系数定义为传输线上最小电压（或电流）与最大电压（或电流）的比值，即

（2.2.9）

显然：

（2.2.10）

7.效率

效率有天线效率与辐射效率。

因为存在损耗以及入射波存在反射，天线不可能把入射功率全部提供到天线的输入端口作为天线的输入功率。

同时，也不可能把从馈线输入给他的输入功率全部辐射出去，如介质中的介质损耗、天线导线中的热损耗等使得馈线的输入功率总有一部分要损耗掉。

为了便于对概念的理解，先将天线的有关的基本功率定义如下：

输入功率：

指天线从外部设备得到的功率。

入射功率：

指天线从发射机等得到的功率。

辐射功率：

指除去损耗，天线把发射机提供的功率辐射出去的功率。

损耗功率：

指由于介质、导线或者地电流等而损耗的功率。

反射功率：

指反射回来的功率。

根据以上定义，可得到：

（2.2.11）

8.品质因素

微带天线的品质因数包括辐射品质因数、介质损耗品质因数、导体损耗品质因数和表面波损耗品质因数四个部分[17]。

它们的关系如下：

（2.2.12）

可表示为

（2.2.13）

式中为辐射缝隙的等效导纳，Z为微带线的特性阻抗。

可以表示成

（2.2.14）

式中为基底的介质角正切值。

为基底的磁损耗角正切值。

可以表示成

（2.2.15）

式中是天线的电导率，一般情况下认为，所以对天线总的品质因数的影响非常小。

如果天线的表面波较低，也可以忽略不计。

那么天线总的品质因数就可近似地表达成

（2.2.16）

9.交叉极化电平

交叉极化电平是用来衡量天线极化纯度的一个量，定义为交叉极化场强幅度与主极化场强度之比的平方，一般用dB表示。

（2.2.17）

2.3微带天线的辐射机理及馈电方式

2.3.1微带天线的辐射机理

微带天线的辐射是由准模传输线、开在地板上的缝隙或贴片产生。

图2.3所示的矩形贴片微带天线尺寸为，通常b是半个波长。

可以认为辐射元两开路边上的边缘场产生辐射场。

将边缘场分解为与接地板相对应的切向和法向分量。

由于微带天线中辐射元的长度，所以两个法相分量方向相反。

在边射方向上两个分量产生反相的远区场互相抵消。

而与接地板平行的切向电场方向是相同的，它们在远区的合成电场在边射方向上相加，在边射方向上得到的辐射场最大。

这就是微带天线得到的辐射是单向的原理[18]。

图2.3矩形微带天线辐射结构

2.3.2微带天线的馈电方式

由于结构的多样性，微带天线激励方式也就存在多样性，微带天线的性能和尺寸受微带天线的馈电方式的影响很大。

目前，根据馈电结构的不同，常用的微带馈电方法有以下三种[19,20]:

1．同轴线馈电

同轴线馈电时，接地板与外导体连接，贴片与穿过接地板上的小孔及介质基片的内导体连接。

用同轴线馈电的优点是：

可在贴片内任意所需位置选馈电点，便于匹配；同轴电缆在接地板下方，天线面的辐射不会受到干扰。

而不便于集成是同轴线馈电结构的缺点。

2．微带线共面馈电

微带天线最常用的馈电方式是微带线共面馈电，不仅结构简单而且经济，但微带馈电线与接地板共面。

馈电线本身的辐射会导致旁瓣电平的升高和交叉极化。

另外，微带馈线位置的选取会影响天线的增益和频带宽度。

3．电磁耦合型馈电

贴近式馈电是电磁耦合型馈电在结构上的共同特征，因此便于层间连接。

在多层阵天线中，由于接地板与贴片之间的间隔比较大，从而能获得较宽的频带；同时，馈线较接近接地板可以减小了馈电网络的辐射干扰。

2.4微带天线的分析方法

求解天线周围空间的辐射场是微带天线分析的基本问题，辐射场情况得到后进而求解天线的增益、输入阻抗、方向图、S参数、频带宽度等参数。

微带天线分析方法有多种，如传输线模型、模式展开法、矢位法、谐振腔模型法以及并矢格林函数法等。

本文主要介绍两种常用的分析方法：

腔模理论和传输线法，两种理论以矩形贴片天线做物理模型介绍的[21]。

1．传输线法

分析微带天线的方法中比较传统的是传输线法，这也是比较简单的方法。

传输线法的物理模型如图2.4所示。

传输线法适用于矩形微带天线。

此方法的有以下两个基本假设：

（1）微带贴片和金属接地板构成一段微带传输线，传输准TEM波。

馈电方式和馈电位置决定了波的传输方向。

线段长度，准TEM波在微带天线中的传输波长为。

在某一时刻，场在边为常数，而在传输方向即L边是驻波分布。

（2）微带传输线的始端和末端两个开口端，即L的两端，近似等效为两个辐射缝，传输线开口端的场强即为缝口径的场。

可以把缝平面看作位于微带贴片的延伸面上，（将开口面向上折转90度），则开口场强随之折转。

图2.4传输线法模型

利用传输线法合理地解释了辐射原理，模型中将微带看作一个场在横向W方向没有变化，在长度L方向，电场为余弦变化的线型辐射器件。

贴片可表示为相距，产生同相激励并向地板以上半空间辐射的两个缝隙。

传输线模型虽然局限用于矩形微带天线和微带振子天线，但由于传输线法特性公式简单，计算量小，适合工程上的使用。

2．腔模理论

为解决传输线法适用范围的局限，从而提出的腔模理论方法。

腔膜理论又分为单膜理论和多膜理论，在单模理论中人们借用微带谐振腔的分析方法，建立了腔模理论。

这是因为微带谐振腔与谐振式微带天线在形式上没有显著的区别。

在分析微带谐振腔时，一般先要确定腔中的一个主模，再根据其边界条件来计算输入阻抗、品质因数和谐振频率等天线的基本参数。

但是在单模理论中，我们认为谐振腔中仅存在一种主模式，这是有局限的。

因为只有当工作频率正处于该模式的谐振频率上时，或该模式和激励源的场分布完全匹配时才是成立的。

由于这样的局限，我们需要采用多模理论模型。

因为事实情况下，当引入具体的激励源时，就会激励产生多种模。

用无限正交模表示腔内场，因而能比较准确地表示腔内场分布，这就是多模理论分析方法，使人们对微带天线的工作特性有更深入的物理理解[22]。

矩形微带天线在腔模理论中被看作一个磁壁腔。

规定腔的边界条件，确定腔中的一个主模，从而计算出输入阻抗、品质因数和谐振频率等。

腔模理论有两个基本假设：

（l）在微带贴片的边界上，电流沿侧壁H的切向分量为零，因为没有垂直于边界的分量，故腔的侧壁可假设为磁壁。

即谐振腔可视为周围为磁壁，上、下为电壁的腔体。

（2）由于腔高度，可认为腔内电场不随z而变，且仅有分量。

而且=0，因此腔内的场是与z轴无关的二维场。

采用腔模理论分析天线，第一步要先求解腔中的电场，第二步由边缘电场的切向分量求得边缘的等效磁流，第三步再由等效磁流计算辐射场。

第三章L型探针馈电微带天线理论分析

3.1L型探针馈电微带天线介绍

研究者们不断追求提高微带天线的性能。

影响微带天线性能的一个重要方面是馈电方式的选择。

微带天线常见的馈电方式主要有孔耦合馈电、缝隙耦合馈电、探针馈电还有微带线馈电等。

微带贴片天线中用的比较多的一种馈电方式是探针馈电。

对于介质层比较厚的微带天线，当采用探针馈电时探针比较长会导致天线输入阻抗的电感性加强而影响天线的带宽。

为了解决这一缺点，可以采用脊型地板技术，另外采用L型探针馈电也可以有效的克服这一影响。

L型探针馈电采用的介质层通常是空气层或为与空气介电常数差不多的泡沫层，因此具有易于制作、成本低、重量轻等优点，这与其他宽频带技术相比优点突出。

目前，L型探针馈电已经大量应用于卫星微带天线的设计中[23]。

本文是对影响L型探针馈电微带天线的几个方面的参数进行研究，并最后设计一副覆盖通信卫星下行传输信号频段3.2GHz~4.4GHz的L型探针馈电的微带天线。

3.2微带天线基本模型

L型探针馈电的微带贴片天线与空气介质基板微带贴片天线类似。

它结构示意图和等效电路图如图3.1所示，L型探针馈电微带贴片天线的辐射机理为:

L型探针垂直部分和贴片之间产生感抗，水平部分和贴片之间产生容抗，两者相互作用产生谐振，使天线呈现多频带或者宽频带。

L型探针通过与同轴馈线连接，探针上将存在交变的电场,探针水平臂所指方向为电场方向,同时交变电场将引起变化的磁场,磁场方向与电场方向垂直。

当磁力线垂直穿过贴片时,又将产生变化的电场。

经过金属接地板的反射后，这种变化的电磁场被辐射出去[24]。

图3.1L型探针馈电的微带贴片天线结构示意图

因此，L型探针馈电的微带贴片天线可以等效为串联谐振和并联谐振的综合电路。

如图3.2所示

图3.2L型探针馈电的微带贴片天线等效电路图

对于介质厚度为h天线工作频率为f的矩形微带天线，矩形贴片的宽度和长度的经验公式为[25]：

（3.2.1）

（3.2.2）

式（3.2.1）、式（3.2.2）中，c为光速，为等效介电常数：

且有

（3.2.3）

（3.2.4）

根据式（3.2.1）~（3.2.4），设计天线